一种全隔离式的信号分配系统及方法与流程

1.本发明涉及工业电子领域，具体地，涉及一种全隔离式的信号分配系统及方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展与进步，工业自动化及智能化的水平越来越高，各种自动化的设备也越来越多的应用在工业领域。尤其在钢铁行业，自动化设备的应用不但提高了生成效率也解放了生产力从而降低人力成本提高了公司效益。工人们的操作也大大简化。与此同时，现场的环境和工况对设备也提出了一些特殊的要求，后级设备往往需要各种各样的传感器来提供参数信号。例如，编码器作为一种旋转测量装置被广泛的应用于工业现场。但是编码器的输出信号可能需要提供给现场的多个后级设备。这样一来就会出现以下几个问题：(1)使用编码器直接连接后级设备的话，则编码器和设备之间通过电缆共用一个参考地。这样带来的问题就是设备和编码器之间的干扰会比较大，甚至在后级设备不稳定的时候还会损坏传感器。(2)单个编码器的输出能力有限，再加上线缆传输的损耗，信号基本不可能正常传输给后级的多个设备。(3)如果现场要求后级多个设备之间相互独立互不干扰的话，就要求输出信号相互隔离。而单个编码器输出显然做不到这一点。(4)使用多个编码器给各个后级设备分别提供信号虽然能够解决个别问题，但是也会带来新的问题。比如，现场空间是否足够放置多个编码器，还有就是由此带来的成本增加问题。因此，在编码器和后级设备之间配置一个能够解决上述问题的中间装置就显得十分必要。
3.专利文献为cn210142268u的实用新型提供了一种正交编码器选择分配系统及正交编码器选择分配装置，其中，正交编码器选择分配系统包括中央处理器模块，以及分别与所述中央处理器模块通信连接的：两路正交编码器信号输入模块，分别用于接收两路的输入信号；信号选择模块，用于连接外部控制选择信号，对两路所述输入信号进行选择；正交编码器信号输出模块，用于将被选择的输入信号输出。通过信号选择模块对两路正交编码器输入信号进行选择，任选一路进行输出，实现了两条反馈通道，可以把一路正交编码器信号接入到两个系统中。但是上述方案无法实现全隔离功能。
4.专利文献为cn109827534a的发明专利公开了一种基于旋转编码器的长度测量系统。包括plc；所述plc分别与控制粗校调速器、冷轧成型调速器、剪板机控制及产品输送控制相连；所述plc控制粗校调速器、冷轧成型调速器、剪板机控制及产品输送控制的运行；所述plc连接有触摸屏及二倍频电路，所述二倍频电路与旋转编码器相连，所述旋转编码器设置于测长辊上。本发明对旋转编码器输出的二路脉冲信号进行二倍频处理后，输入以plc为控制处理器的长度测量系统，大大提高了长度测量精度和抗扰能力。但是上述方案无法实现全隔离功能。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全隔离式的信号分配系统及方法。
6.根据本发明提供的一种全隔离式的信号分配系统，包括输入电源电路、输入信号转换及状态指示电路、fpga控制系统、光电隔离电路、输出电源电路以及驱动电路，其中：
7.输入电源电路为输入信号转换及状态指示电路、fpga控制系统、光电隔离电路提供输入电源；
8.输入信号转换及状态指示电路将接收的传感器信号转换为fpga控制系统使用的信号；
9.fpga控制系统处理传感器信号，并输出传感器信号至光电隔离电路或者输出故障信号；
10.光电隔离电路将接收的传感器信号缓冲、反向并送入隔离光耦输入端；
11.驱动电路接收光电隔离电路的输出信号；
12.输出电源电路给驱动电路供电。
13.优选地，所述输入电源电路包括保护电路和滤波网络，外部电源以及经过保护电路和滤波网络形成输出直流电。
14.优选地，所述输入信号转换及状态指示电路包括信号输入接口电路、信号转换电路以及信号故障指示电路，其中：
15.信号输入接口电路接入信号；
16.信号转换电路将所述信号转换为给fpga控制系统使用的脉冲信号；
17.信号故障指示电路用于显示信号故障。
18.优选地，所述fpga控制系统包括：fpga主控制器、jtag接口以及输入输出接口，其中：
19.jtag接口烧写检测程序；
20.输入输出接口对外部i/o进行信息交换；
21.fpga主控制器用于对转换的信号处理。
22.优选地，所述光电隔离电路包括：信号缓冲电路、信号反向电路、光耦输入电路，其中：
23.传感器信号依次通过信号缓冲电路、信号反向电路、光耦输入电路进入隔离光耦输入端。
24.优选地，所述输出电源电路包括：dcdc模块、滤波网络以及稳压器，电源依次通过dcdc模块、滤波网络以及稳压器形成稳压电源。
25.优选地，所述驱动电路包括：光耦输出电路、驱动芯片电路、信号状态指示电路，其中：
26.隔离光耦输入端的信号依次经过光耦输出电路、驱动芯片电路形成驱动输出信号；
27.驱动输出信号经过信号状态指示电路。
28.优选地，输出电源电路以及驱动电路均设置有多路。
29.根据本发明提供的一种基于上述全隔离式的信号分配系统的全隔离式的信号检测方法，包括如下步骤：
30.信号接收步骤：接收传感器传来的信号；
31.信号判断步骤：判断所述传感器信号的频率是否小于阈值，如果判断结果为是，则
信号正常并输出信号；如果判断结果为否，则信号异常，且输出“故障信号”点亮报警灯。
32.根据本发明提供的一种基于上述全隔离式的信号分配系统的全隔离式的信号检测方法，包括如下步骤：
33.信号接收步骤：接收传感器传来的信号；
34.信号判断步骤：判断所述传感器信号频率的变化是否平稳，如果判断结果为是，则信号正常并输出信号；如果判断结果为否，则信号异常，且输出“故障信号”点亮报警灯。
35.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
36.1、本发明避免了传感器与后级设备的直接连接，使设备和传感器之间的干扰大大降低，提高了设备的稳定性。不但减少了运维人员的工作量，而且大大降低了设备发生故障的风险；
37.2、本发明解决了传感器的输出能力有限的问题，大大提高了信号驱动后级设备的能力；
38.3、本发明为现场后级多个设备之间相互独立互不干扰提供了可能，提升了设备之间的兼容性以及适应现场环境的能力；
39.4、本发明把单路传感器信号转换成多路信号，仅需一个传感器就可以给后级的多台设备提供信号参数，不仅实现了多台设备的集中布置节省空间的目的，还解决了因现场布置多台传感器而带来的成本增加问题。
附图说明
40.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
41.图1为本发明的全隔离式的信号分配系统结构示意图；
42.图2为本发明的全隔离式的信号频率大小检测方法流程图；
43.图3为本发明的全隔离式的信号频率变化检测方法流程图。
具体实施方式
44.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
45.如图1至图3所示，根据本发明提供的全隔离式的信号分配系统及方法，实现一路传感器信号转换成多路具有较强驱动能力的信号，供后级的多个设备使用。同时还提供传感器和设备之间的隔离功能并且后级的各个设备之间也完全隔离。本发明还实现了输入信号的低通滤波、信号频率的非线性变化检测、增强输出信号的驱动能力以及多路输出信号之间相互隔离的功能。图1所示为全隔离式的信号分配系统，包括输入电源电路、输入信号转换及状态指示电路、fpga控制系统、光电隔离电路、输出电源电路以及驱动电路。整体上可以分为2个部分：一部分是光耦左侧的信号输入部分，另一部分是光耦输出信号的驱动输出部分。两部分电路之间由光耦隔开，使两部分电路在电气上相互隔离。输入电源电路给前级的传感器、输入信号转换及状态指示电路、fpga控制系统和光耦输入端提供电源。传感器
输出的信号经信号转换电路转换成控制电路能够直接使用的脉冲信号，所述脉冲信号由fpga控制芯片进行实时检测，保证输入信号频率保持在常用的100khz以内。同时，本发明对输入信号的频率进行了实时的非线性变化监测。即保证传感器传来的数据使符合逻辑的，以确保信号的正确性。为了确保fpga输出的信号能够可靠的使光耦导通和关断，信号需要经过缓冲电路和反向电路,保证信号具有足够的驱动能力才能进入光耦输入端。由于信号先经过反向电路，然后再经光耦输出反向一次就又恢复为正向的信号了。驱动输出侧的电路包括输出电源电路和驱动电路，其中优选有8路独立的电源系统，每一路电源对应一个光耦和一个驱动电路。这样就同时实现了输入输出间的隔离和每路输出之间的隔离。
46.更进一步的，所述输入电源电路包括：保护电路、滤波网络、5v稳压器、3.3v稳压器、1.8v稳压器、1.2v稳压器；保护电路由二极管、保险丝、瞬态抑制二极管组成，具有防止电源反接和过流保护的作用。输入的24v电源经保护电路后进入滤波网络，通过滤波网络将输入电源转为稳定的24v直流电。然后，分别连接到5v稳压器、3.3v稳压器、1.8v稳压器和1.2v稳压器为其他系统提供各自所需的电源。更为详细的，由于工业现场引入24v电源较为方便，因此通过24v电源经过保护电路，选用型号为kw3-24s05e的dc-dc电源模块，该模块具有低纹波、低温升、低功耗、高效率、可靠性高、隔离性能好、短路保护等优点。24v输入电源经该dc-dc模块转换为5v电源再进入由电容、电感构成的π型滤波网络得到稳定的5v直流电。将稳定的5v直流电引入fpga控制系统和光电隔离的输入部分电路。在fpga控制系统中使用lm1117系列的芯片分别把5v电再次转换为需要的3.3v、1.8v、1.2v直流电。
47.所述输入信号转换及状态指示电路包括：信号输入接口电路、信号转换电路、信号/故障指示电路；输入信号转换及状态指示电路作为信号的输入端口，其主要功能是将传感器送进来的信号转换成能给fpga控制系统直接使用的电平脉冲信号。为了方便操作人员和维修人员的工作，还增加了电源指示灯、信号状态指示灯和信号故障报警灯。例如，编码器传来的信号是24v脉冲信号。输入信号转换及状态指示电路将该输入信号经分压、保护电路进行电平的转换，以保证转换后的信号可以安全的输出到下一级电路系统。信号状态指示灯在有信号时会闪烁发出绿色光，而报警指示灯在接收到故障信号时会发出红光报警。
48.所述fpga控制系统包括：fpga主控制器、jtag接口、输入输出接口；fpga控制系统是整个设计检测信号故障的核心，由vrilog硬件描述语言描述了各个检测功能模块，接收传感器传递来的信号进行处理，当信号正常时把信号输出到下一级的光电隔离电路中。当检测到信号频率过高或者信号频率发生突变时，会输出故障信号到故障报警电路，当报警指示灯在接收到故障信号时会发出红光报警。通过jtag接口烧写检测程序；输入输出接口用以对外部i/o进行信息交换。
49.所述光电隔离电路包括：信号缓冲电路、信号反向电路、光耦输入电路；光电隔离电路中的信号缓冲电路可以将fpga输出的高电平为3.3v的脉冲信号转换为高电平为5v的脉冲信号；该5v的脉冲信号再进入反向电路，对信号进行一次反向；反向之后的信号进入隔离光耦的输入端，以驱动光耦的通断。为了提高fpga输出信号的带载能力，采用型号为sn74hct245dwr的芯片组成的缓冲电路。反向电路采用型号为cd40106bm的逻辑芯片，采用的光耦为hcpl-0600高速光耦。
50.所述输出电源电路包括：dcdc模块、滤波网络、5v稳压器；所述驱动电路包括：光耦输出电路、驱动芯片电路、信号状态指示电路；输出电源电路由8路独立的输出端电源电路
组成。每一路电源都经过各自的保护和滤波电路供给对应的驱动电路，并且还要进入8路型号为k7805-500的dcdc电源模块转换成8路5v电源。这8路5v电源分别为各自的光耦输出端和对应的驱动芯片供电。所述驱动电路也是由8路相互隔离的驱动电路组成，每一路独立的驱动电路都是由光耦输出电路、驱动芯片电路、信号状态指示电路组成。光耦输出端的信号与光耦输入端信号是反相的，所以输入之前才加入了反向电路。光耦输入端的信号决定了光耦输出端信号的电平高低，而光耦输出的信号是一个弱信号。该信号需要通过由型号为l293dd013tr的驱动芯片组成的驱动电路，以提高其驱动负载的能力。该信号需要通过驱动电路，以提高其驱动负载的能力。同时，驱动输出信号还要经过信号状态指示灯。这样可以让操作人员或检修人员直观的判断输出信号的好坏。
51.图2是“检测输入信号频率是否小于100khz”的处理流程图：设备上电后就处于就绪状态。当检测系统接收到传感器传来信号，首先判断输入信号频率是否小于100khz。如果输入信号频率小于100khz，那么，就认为信号正常并把信号输出到后级电路。如果检测到输入信号频率不小于100khz，那么就认为信号是异常的，并且要发出“故障信号”点亮报警灯。以此来监控传感器传来的信号是否超出正常信号的频率范围。
52.图3是“检测输入信号频率是否平稳变化”的处理流程图：设备上电后就处于就绪状态，当检测系统接收到传感器传来信号，首先判断输入信号频率的变化是否平稳有没有发生跳变的情况。如果输入信号频率的变化平稳，没有发生跳变，就认为信号正常并把信号输出到后级电路。如果检测到输入信号频率变化不够平稳发生跳变，那么就认为信号是异常的，并且要发出“故障信号”点亮报警灯。以此来监控传感器传来的信号是否符合逻辑。
53.综上所述，本发明提供了一种全隔离式的信号分配系统及方法，避免了传感器与后级设备的直接连接，使设备和传感器之间的干扰大大降低，提高了设备的稳定性。不但减少了运维人员的工作量，而且大大降低了设备发生故障的风险；解决了传感器的输出能力有限的问题，大大提高了信号驱动后级设备的能力；为现场后级多个设备之间相互独立互不干扰提供了可能，提升了设备之间的兼容性以及适应现场环境的能力；把单路传感器信号转换成多路信号，仅需一个传感器就可以给后级的多台设备提供信号参数，不仅实现了多台设备的集中布置节省空间的目的，还解决了因现场布置多台传感器而带来的成本增加问题。
54.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。